在不同下壓量(0.3，0.7，1.0mm)下對7N01鋁合金進行攪拌摩擦焊，研究了下壓量對接頭截面形貌、拉伸性能、抗撕裂性能及疲勞性能的影響。結果表明：下壓量對7N01鋁合金攪拌摩擦焊接頭的拉伸性能影響不大；當下壓量為0.7,1.0mm時，接頭的啟裂能、裂紋擴展能及撕裂強度均相近，但當下壓量為0.3mm時，接頭焊縫區域的啟裂能、裂紋擴展能及撕裂強度均顯著降低；隨著下壓量的增加,焊接接頭疲勞強度增大；當下壓量為1.0mm時焊接接頭的疲勞性能及抗裂紋擴展性能最優。
1、 試樣制備與試驗方法
試驗材料采用厚度為5.5mm的7N01鋁合金板，軋制態，在7N01鋁合金板上取尺寸為150mm×52.5mm×5.5mm的待焊單邊試樣，試樣長邊沿軋制方向。在用數控銑床改造的攪拌摩擦焊機上，采用6542高速鋼攪拌頭進行攪拌摩擦對接焊，焊接方向沿試樣長度方向，攪拌針為四棱柱帶螺紋型，根部直徑為5mm，針長為4.4 mm。焊接時攪拌針正對著試樣連接界面，無偏移。攪拌頭轉速為1100r·min-1，攪拌頭傾角為2.5°，焊接速度為100mm·min-1，下壓量分別為0.3，0.7，1.0mm。
垂直于焊接方向在焊接接頭上取樣，經砂紙打磨，機械拋光后，在光學顯微鏡下觀察截面形貌。以焊縫為中心，垂直于焊接方向截取尺寸為105mm×20mm×5.5mm的拉伸試樣，取樣位置和試樣形狀如圖1(a)所示。根據 GB/T 228-2002，采用電子萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為1mm·min-1，各測3個試樣。采用掃描電鏡(SEM)觀察接頭拉伸斷口形貌。在焊接接頭母材和接頭區域截取如圖1(b)所示的撕裂試樣，試樣上開V型缺口，缺口分別位于熱影響區(距焊縫邊緣0.5mm)、遠離焊縫區(距焊縫邊緣3mm)、焊縫中心，其中母材試樣以及缺口在熱影響區和遠離焊縫區試樣的缺口垂直于焊接方向，缺口在焊縫中心試樣的缺口平行于焊接方向。根據ASTM E1820-2001，采用電子萬能試驗機進行室溫撕裂試驗，撕裂速度為1mm·min-1，加載前對其施加400N預載荷，以消除夾具和試樣間的間隙。以焊縫為中心，垂直于焊接方向截取尺寸如圖1(c)所示的疲勞試樣，根據ASTM E466-2015，采用高頻疲勞試驗機進行疲勞試驗，按照成組法進行疲勞壽命測試，確定疲勞強度和應力-疲勞壽命(S-N)曲線，應力循環比R取0，循環次數最高為107次，各測3個試樣。以循環107周次對應的應力為疲勞強度。
2、 試驗結果與討論
2.1 接頭截面形貌
圖2中虛線部分為焊縫區域。由圖2可見，當下壓量為0.3mm時，焊縫根部存在明顯的未焊透部位。隨著下壓量的增大，根部未焊透現象得到顯著改善。
2.2 對拉伸性能的影響
7N01鋁合金母材的抗拉強度為434.65MPa，屈服強度為295.56MPa，斷后伸長率為16%。由圖3計算可知：當下壓量為0.3，0.7，1.0mm時，7N01鋁合金攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度分別為351.78，324.82，352.70MPa；屈服強度分別為241.72，232.13，243.63MPa。在3種不同下壓量下，接頭的抗拉強度與母材相比變化不大，均可達到母材的80%左右。
在3種下壓量下，接頭的拉伸斷裂位置均位于焊縫中心，宏觀斷裂形貌相似，選取下壓量為0.7mm時的接頭進行拉伸斷口分析。由圖4可見，整體拉伸斷口包括上中下3個部分，上部和下部斷口均較粗糙，中部斷口撕裂條紋比較明顯，這是因為焊縫中心由于攪拌作用存在洋蔥環的形貌特征，在斷裂過程中裂紋會沿洋蔥環擴展。上部和下部的斷口具有明顯的韌窩特征，這說明在試樣上下表面附近發生塑性斷裂。中部斷口撕裂條紋上也存在明顯韌窩，在條紋的斜面部分也具有明顯的小尺寸韌窩特征。綜上可知，接頭整體上屬于塑性斷裂。
2.3 對抗撕裂性能的影響
母材的啟裂能為(43±2)kN·mm，裂紋擴展能為(13±2)kN·mm。由圖5(a)可見：缺口在焊縫中心試樣在下壓量為1.0mm和0.7mm時的啟裂能均與母材相近，說明此時焊縫區域具有較好的縱向抗啟裂能力，但下壓量為0.3mm時的縱向抗啟裂能力較差；缺口在熱影響區試樣在3種下壓量下的啟裂能相近，但與母材相比均下降較多，說明熱影響區屬于接頭的性能薄弱部位；缺口在遠離焊縫區試樣在3種下壓量下的啟裂能相近，與母材相近，說明遠離焊縫區(距焊縫邊緣3mm)具有優良的抗啟裂能力。由圖5(b)可見：缺口在焊縫中心試樣在下壓量為1.0mm和0.7mm時焊縫的裂紋擴展能均高于母材，說明焊縫區域具有較好的縱向抗裂紋擴展能力，但當下壓量為0.3mm時焊縫的縱向抗裂紋擴展能力低于母材；缺口在熱影響區試樣的裂紋擴展能隨著下壓量增大而提高，且3種下壓量下的裂紋擴展能較母材均有所提高，說明熱影響區具有優良的抗裂紋擴展能力；對于缺口在遠離焊縫區的試樣，在3種下壓量下接頭裂紋擴展能相比母材都有較大提高，說明遠離焊縫區(距焊縫邊緣3mm)具有優良的抗裂紋擴展能力。
結合圖5(a)和(b)可知：在相同下壓量和缺口位置的條件下試樣的裂紋擴展能均小于啟裂能，說明接頭和母材的抗裂紋擴展能力都低于其抗啟裂能力。綜合考慮不同下壓量和不同缺口位置接頭的啟裂能和裂紋擴展能，當下壓量為0.7，1.0mm 時，接頭的啟裂能和裂紋擴展能相近。
母材的撕裂強度為(580±10)MPa。由圖6可見：在下壓量為1.0mm和0.7mm 時，缺口在焊縫中心試樣的撕裂強度均與母材相近，說明焊縫區域具有較好的縱向抗撕裂性能，但下壓量為0.3mm時焊縫的縱向撕裂強度明顯低于母材；3種下壓量下缺口在熱影響區試樣的撕裂強度均低于母材，說明接頭的熱影響區抗撕裂性能較差，是薄弱部位；在3種下壓量下缺口在遠離焊縫區試樣的撕裂強度均低于母材但高于缺口在熱影響區試樣，說明遠離焊縫區(距焊縫邊緣3mm)具有優良的抗撕裂性能。綜上可知，當下壓量為0.7,1.0mm 時接頭具有較高的撕裂強度。
2.4 對疲勞性能的影響
由圖7可見，當下壓量分別為0.3，0.7，1.0mm時，7N01鋁合金攪拌摩擦焊接頭的疲勞強度分別為69.50，103.60，119.02MPa；疲勞強度隨下壓量增加而增大。造成疲勞性能差別的原因可能是接頭不同部位的抗啟裂和抗裂紋擴展能力不同，隨著下壓量的增加，接頭抗啟裂和抗裂紋擴展能力逐漸增大，導致接頭整體疲勞強度提高。
下壓量的增加，可有效減少根部未焊合缺陷，增強接頭根部抗裂紋啟裂和裂紋擴展能力，從而增大接頭的疲勞強度。下壓量為1.0mm時7N01鋁合金FSW 接頭的疲勞性能及抗裂紋擴展性能最優。
3、 結 論
(1)當下壓量為0.3，0.7，1.0mm 時，7N01鋁合金攪拌摩擦焊接頭的拉伸斷裂位置均位于焊縫中心，其抗拉強度分別為351.78，324.82，352.70MPa，均達到母材的80%左右，下壓量對接頭抗拉強度影響不顯著。
(2)當下壓量為0.7，1.0mm時，7N01鋁合金攪拌摩擦焊接頭的啟裂能、裂紋擴展能及撕裂強度相近，但當下壓量為0.3mm時，接頭焊縫區域的啟裂能、裂紋擴展能及撕裂強度顯著降低。
(3)當下壓量為0.3，0.7，1.0mm時，7N01鋁合金攪拌摩擦焊接頭的疲勞強度分別為69.50，103.60，119.02MPa，隨下壓量的增加，接頭的疲勞強度增大。
引用本文：
周平，戴啟雷，周林，等.下壓量對7N01鋁合金攪拌摩擦焊接頭性能的影響[J].機械工程材料，2023，47（4）：23-27.
Zhou P, Dai Q L, Zhou L, et al. Effect of Press Amounton Properties of 7N01 Aluminum Alloy Friction Stir Welding Joint, 2023, 47（4）: 23-27.
DOI:10.11973/jxgccl202304005
